CN112996439A - 用于确定生物组织的氧合血含量的系统和方法 - Google Patents

用于确定生物组织的氧合血含量的系统和方法 Download PDF

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Abstract

提出了一种用于监测生物组织中的氧合的系统和方法。该系统包括控制单元，该控制单元被配置并且可操作以接收指示来自生物组织的区域的光响应的数据，该生物组织经受两个所选定的波长范围内的两个单独的波长处的照射和/或收集，并且通过比较指示每个所选定的波长范围的数据来处理该数据以确定生物组织的氧合/脱氧状态。两个波长范围包括第一波长范围和第二波长范围，所述第一波长范围中组织内的脱氧血红蛋白的吸光度高于氧合血红蛋白，所述第二波长范围中组织内的氧合血红蛋白的吸光度高于脱氧血红蛋白，或者反之。所述两个波长范围中的两个波长包括第一波长和第二波长，第一波长和第二波长满足针对第一识别的波长和第二识别的波长中的每一个的脱氧血红蛋白和氧合血红蛋白的吸光度之间的比率的预先确定的条件。

Description

用于确定生物组织的氧合血含量的系统和方法
技术领域
本发明涉及用于确定生物组织的氧合血含量的技术，并且特别地涉及用于组织氧合制图(mapping)的技术。
背景
在医学领域的多种情况下，确定生物组织中氧合血的含量是有用的。区域氧转运在维持组织功能方面具有重要作用。与毛细血管功能障碍引起的局部破坏的微循环相关的单独组织或器官中的低氧(hypoxia)不能通过外周氧饱和度(peripheral oxygensaturation)(SpO2)的整体(全身性)测量来识别。多种慢性以及急性医学状况(例如外周血管疾病、糖尿病、高胆固醇血症、高血压、慢性肾衰竭、慢性阻塞性肺病、腹主动脉动脉瘤疾病、静脉功能不全、各种外科手术)与受损的局部组织氧合相关。
例如，在整形外科手术中，诸如皮瓣外科手术中，至少部分地从负责血液流过组织部分的血管切除一部分组织，该组织被移动到身体的不同的新位置，并且通常被连接到新位置附近的新血管。如果与新血管的连接是成功的，并且当存在时，与旧血管的原始连接保持良好并且愈合过程进展良好，则该部分组织从动脉接收足够的氧合血供应，脱氧血被静脉带走，并且该部分组织是可存活的。然而，如果出现一些问题，并且由于一些原因该部分组织具有不足的氧合血含量，例如，动脉未供应足够的氧合血，或者静脉未带走足够的脱氧血，使得该部分组织不可存活。如果该部分组织没有包含足够的氧合血的事实被足够快地检测到，则可以采取措施来挽救该部分组织。如果该部分组织没有包含足够的氧合血的事实没有被足够快地监测到，则发生坏死，并且必须切除该部分组织。
例如，在急救医学中，一个人可能在身体的大范围部分严重受损(包括部分截肢)的情况下接受医疗护理，因此医务人员不可能确定身体的哪些部分是可存活的，以及哪些部分是不可存活的。为了对人进行治疗，能够快速确定身体的哪些部分具有足够的氧合血含量以至于是可存活的以及哪些部分不具有足够的氧合血含量将是有用的。然后可以首先治疗那些被发现可存活的身体的部分以确保存活，并且对于那些不立即可存活的部分，医务人员可以决定是否有可能重新连接血液供应，或者切除这些身体部分，从而提高患者的存活率和恢复率。
总体描述
本领域对于提供能够识别上文提及的功能障碍以允许临床医生识别那些处于增加的外周和心血管疾病风险的人的非侵入性技术存在需求。拥有可用于定性地和/或定量地确定组织的氧合血含量的技术也将是有用的。为此，本发明提供了用于提供关于组织氧合的指示的新技术。更具体地，该系统被配置用于测量生物组织，以确定组织中存在的氧合血/脱氧血。本发明提供了基于区分氧合血红蛋白和非氧合血红蛋白的独特波长的光谱分析来测量组织毛细血管中氧饱和度的技术。该技术可以作为用于不同临床用途的多种系统的基础。
根据本发明的广泛的方面，提供了用于监测生物组织中的氧合的系统。该系统包括控制单元，该控制单元被配置并且可操作以接收指示来自生物组织的相同区域的光响应的数据，所述生物组织经受两个所选定的波长范围内的两个单独的波长处的照射和/或收集，并且通过比较指示每个所选定的波长范围的数据来处理所述数据以确定生物组织的氧合/脱氧状态，其中照射和/或收集的两个波长范围包括第一波长范围和第二波长范围，第一波长范围中组织内的脱氧血红蛋白的吸光度高于氧合血红蛋白，第二波长范围中组织内的氧合血红蛋白的吸光度高于脱氧血红蛋白，或者反之，并且所述两个波长范围中的两个波长包括第一波长和第二波长，所述第一波长和所述第二波长满足针对第一识别的波长和第二识别的波长中的每一个的脱氧血红蛋白和氧合血红蛋白的吸光度之间的比率的预先确定的条件。
这样的预先确定的条件对应于针对第一识别的波长和第二识别的波长中的每一个的脱氧血红蛋白和氧合血红蛋白的吸光度之间的相对高的比率。在这方面，应注意，这些吸光度之间的相对高的比率(优选地是大体上/近似最高/最大的比率)对应于针对这两个波长中的每一个的脱氧血红蛋白和氧合血红蛋白的吸光度性质(强度)彼此显著(最大地)不同的条件。
在一些实施方案中，第一波长范围被选择为使得数据指示位于被监测的组织区域的表面处的组织部分，而第二波长范围指示位于所述组织区域的一定深度处的组织部分。在这种情况下，第一波长范围和第二波长范围位于不同的光谱带，即蓝色光谱带和红色光谱带。第一波长可以是在从约400nm至约420nm的第一波长范围内，接近/约415nm，并且第二波长可以是在从约600nm至约800nm的第二波长范围内，接近/约650nm。在另一个可能的实例中，第一波长是在450nm-500nm的第一波长范围内，接近/约470nm，并且第二波长是在600nm-800nm的第二波长范围内，接近/约650nm。
在可以替代上文描述的实施方案使用的或者另外地与上文描述的实施方案一起使用的一些其他实施方案中，第一波长范围和第二波长范围大体上在相同的光谱带中，并且第一波长范围和第二波长范围被选择为使得测量的数据指示被监测的组织区域的表面组织部分。第一波长可以是在400nm-420nm的第一波长范围内，接近/约415nm，并且第二波长可以是在420nm-450nm的第二波长范围内，接近/约435nm。这些实施方案的另一个可能的实例是使用420nm-450nm的第一波长范围的接近435nm的第一波长，以及450nm-500nm的波长范围的接近470nm的第二波长。
在一些实施方案中，控制单元被配置并且可操作以通过计算两个平均强度之间的关系(例如比率)来处理数据，所述两个平均强度指示来自在两个单独的选定波长范围处被照射和/或收集的生物组织的相同区域的光响应。这种关系指示/描述生物组织的氧合/脱氧状态。应理解，针对选定波长的测量的光响应之间的这样的关系(比率)可以是某个正常值，其可以是个体特异性的和/或测量位置(身体部分)特异性的。该正常值可以在校准或初步机器学习程序中被确定。因此，实际要测量/检测的是关系(比率)相对于正常值的变化。
在一些实施方案中，控制单元被配置并且可操作以实时确定生物组织的氧合/脱氧状态。
在一些实施方案中，通过使用具有不同波长范围(例如蓝色波长范围和红色波长范围)的两个电磁束来照射组织。然后，通过使用检测器单元(成像或非成像单元)来收集对应于不同波长范围的两个反射的反向散射光束(back-scattered light beam)。该系统可以包括成像器单元，该成像器单元被配置并且可操作以接收光响应并且生成至少两个其像素化图像。
如本文使用的，术语“成像器单元”指的是能够生成数字像素化图像数据(作为静止图像或视频)的任何装置。数据可以包括至少两个像素化图像。如本文使用的，为了清楚起见，术语“图像”指的是可视图像(例如，显示在诸如印刷纸张的永久介质上或诸如显示屏(LED、LCD、CRT)的电子介质上)，以及表示图像的图像数据(特别是电子数据)，包括存储在例如磁或电介质(例如，闪存、磁盘、磁带)上的数据。
数据的处理可以包括：在每个图像中识别指示区域的特定区的像素；对每个特定区进行至少两个像素化图像的逐像素比较；确定每个像素的生物组织的氧合/脱氧组织状态，以及将经处理的图像生成为指示组织氧合/脱氧状态的图(map)。如本文使用的，为了清楚起见，术语“像素”指的是构成像素化图像(作为数据显示的或存储的像素化图像)的元素，并且也指的是像素的值，如上下文所规定的。控制单元可以被配置并且可操作以生成组织区域的经处理的图像，该经处理的图像指示组织的表面处的组织部分的氧合状态与组织的一定深度处的组织部分的氧合状态的比较。
如果使用成像器单元，则指示两个反射的反向散射光束的图像数据因此被逐像素比较，以确定组织中存在的氧合血/脱氧血。然后可以通过对第一图像数据和第二图像数据进行逐像素比较以生成血氧组织状态图数据来获得图像。通过提取选定的适当波长范围来进行全彩色制图。
在一些实施方案中，成像器单元包括光谱成像器，该光谱成像器被配置并且可操作以接收光响应并且生成至少两个其像素化光谱图像。因此，数据可以包括至少两个像素化光谱图像。数据的处理可以包括：从至少两个像素化光谱图像中提取分别对应于照射和/或收集的选定波长范围的至少两个单色图像，对至少两个单色图像的每个特定区进行逐像素比较，并且生成指示光谱分辨的组织氧合/脱氧制图的经处理的图像。
在一些实施方案中，成像器单元包括至少两个成像器，每个成像器被配置并且可操作以检测不同选定波长范围内的至少一个电磁束。
在一些实施方案中，该系统包括至少两个交叉偏振元件，该交叉偏振元件与照射源和成像器单元相关联，并且被配置并且可操作以滤除来自组织的镜面反射。
在一些实施方案中，该系统包括非成像光电检测器单元，该非成像光电检测器单元被配置并且可操作以获取非图像数据。非成像光电检测器单元被配置并且可操作以接收来自在两个单独的选定波长范围被照射和/或收集的生物组织的相同区域的光响应，并且生成至少两个其区域的平均强度。因此，数据可以包括非成像数据，该非成像数据指示在两个单独的波长范围的至少两个平均强度。数据的处理可以包括计算两个平均强度之间的比率。可以使用任何合适的检测器单元或检测器的组合来确定光响应(例如漫反射光)的强度。例如，可以使用包括光电组件的检测器单元，诸如光电光检测器(例如，光电二极管、光电晶体管、光电倍增管、光隔离器和集成光学电路)、光电导检测器(例如，光敏电阻、光电导摄像管、电荷耦合器件)、受激发射检测器(例如，注入式激光二极管(injectionlaserdiodes)、量子级联激光器)、辐射复合检测器(发光二极管、有机发光二极管)和光电发射检测器(光电发射摄像管)。
在一些实施方案中，该系统包括照射源，该照射源被配置并且可操作以用两个单独的波长范围的电磁束来照射生物组织。
在一些实施方案中，该技术允许对设计用于预防或改善微循环功能的治疗进行量化和监测。此外，微循环功能的评估和局部组织氧合的监测均有助于多种外科程序(例如整形外科手术、组织移植)，以便确定组织存活力和用于确定治疗终点和治疗后组织存活力。在这方面，应理解，评估区域组织氧合是巨大的挑战，因为全局血液动力学变量仅提供器官灌注的粗略估计。SpO2的系统参数是不敏感的，并且是区域组织水平的安全氧合的非特异性指示物。
生物组织的表面是任何合适的表面。在一些实施方案中，生物组织的区域可以是覆盖在生物组织的表面上的二维矩阵。在一些实施方案中，表面是皮肤，特别是人类皮肤。在一些实施方案中，表面是肠道的内表面。在一些实施方案中，表面是脑的神经组织。在一些实施方案中，表面是覆盖脑的硬脑膜。在一些实施方案中，表面是肌肉组织。在一些实施方案中，表面是面向眼球内部的视网膜的表面。
根据本发明的另一个广泛的方面，提供了用于监测生物组织中的氧合的方法。该方法包括确定用于在一个或更多个测量会话中使用的操作数据，以能够收集指示生物组织的氧合/脱氧组织状态的数据，所述确定包括选择两个波长范围中的两个单独的波长用于在所述一个或更多个测量会话中使用(用于照射和/或光响应的收集)，以能够生成指示生物组织的区域对所述两个波长的光响应的数据。通过以下选择两个波长范围：识别第一波长范围和第二波长范围，第一波长范围中组织内的脱氧血红蛋白的吸光度高于氧合血红蛋白，第二波长范围中组织内的氧合血红蛋白的吸光度高于脱氧血红蛋白，或者反之，并且从第一波长范围和第二波长范围中选择第一波长和第二波长，所述第一波长和所述第二波长满足针对识别的波长中的每一个的脱氧血红蛋白和氧合血红蛋白的吸光度之间的相对高(优选地最高)的比率的条件。
该方法还可以包括使用上述操作数据分析在一个或更多个测量会话中获得的测量的数据，该测量的数据指示在上文描述的两个单独的选定波长范围的来自生物组织的相同区域的光响应；和确定生物组织的氧合/脱氧状态。
在一些实施方案中，该方法包括实施所述一个或更多个测量会话，同时减少来自组织的镜面反射。
在一些实施方案中，该方法包括用至少两个具有不同选定波长范围的电磁束照射生物组织。
在一些实施方案中，该方法包括收集指示在两个单独的选定波长范围的来自生物组织的相同区域的光响应的成像数据或非成像数据。
在一些实施方案中，该方法包括显示感兴趣的区域的氧合/脱氧组织状态。
附图简述
为了更好地理解本文公开的主题并且为了例示其可以如何在实践中被实施，现在将仅仅通过非限制性实例的方式参考附图描述实施方案，在附图中：
图1示出了血红蛋白(Hb)和氧合血红蛋白(HbO2)的典型吸收光谱；
图2A和图2B示意性地描绘了光检测装置(光电检测器、示波器)的显示屏，该光检测装置用于在血流阻断程序之前和期间测量两个预选波长的强度随时间的变化；
图2C至图2E更具体地示出了实验结果，其中图2C示出了在正常条件(即，没有血管阻断)在人类手臂上测量的两个波长λ1和λ2的测量的光响应的原始数据，图2D示出了在阻断模式开始时在人类手臂上测量的相应光响应，并且图2E示出了在阻断模式的2min时间段期间相应光响应的演变；
图3是说明提供对生物组织的氧合状态的监测的数据处理系统(控制单元)的实例的框图；
图4是说明根据本发明的一些实施方案的用于监测生物组织中的氧合的系统的实例的图片；
图5A是在血流阻断程序之前和期间使用标准TC-PO2系统(PERIMED)和本发明的技术进行组织氧饱和度(StO2)监测的图解说明；
图5B-图5D是在血流阻断程序之前和期间通过使用常规脉搏血氧计和本发明的技术监测组织氧饱和度(StO2)的三个图解说明；
图6是比较由根据本文教导的血氧合传感器和商购可得的用于确定血氧合的现有技术装置确定的组织中的氧合血含量的图表示，如放置在由于烧伤伤口而遭受肺功能不全的严重烧伤患者的手臂上时在肺清洁程序期间测量的；
图7A-图7E是示出根据本发明的一些实施方案的用于监测生物组织中的氧合的可能的光学成像设置的示意性框图；
图8是说明用于监测生物组织中的氧合的方法的实例的流程图；
图9A-图9C是通过使用本发明的技术在三种不同夹持模式下获取的手指的三幅图像：正常(图9A)、缺血2分钟(图9B)和再灌注后(图9C)；
图10是示出根据本发明的一些实施方案的用于监测生物组织中的氧合的可能的光学设置的示意性框图；
图11示意性地描绘了装置的实施方案，该装置包括与光谱成像相机功能上相关联的计算机处理器；
图12A-图12D示出了本文用于确定小鼠移植皮瓣的氧合的教导；
图13A-图13B示出了本文用于确定由前额至鼻移位产生的皮瓣的氧合的教导；
图14A-图14B示出了本文用于确定在鼻重建期间组织的氧合的教导；
图15A-图15D示出了本文用于实时监测脑功能的教导；
图16A-图16C示出了本文用于监测使用光热治疗的癌症治疗的教导。
实施方案的详细描述
除非另外定义，否则本文使用的所有技术术语和科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员所通常理解的相同的含义。在有冲突的情况下，包括定义的说明书将优先。
如本文使用的，术语“包括(comprising)”、“包括(including)”、“具有(having)”以及它们的语法变体将被视为指定所陈述的特征、整数、步骤或组件，但不排除添加一个或更多个另外的特征、整数、步骤、组件或它们的组。这些术语包含术语“由...组成”和“基本上由...组成”。
如本文使用的，除非上下文另外明确指出，否则不定冠词“一个/种(a)”和“一个/种(an)”意指“至少一个/种”或“一个/种或更多个/种”。
如本文使用的，当数值前面有术语“约”时，术语“约”旨在指示+/-10％。
如本文使用的，呈形式“A和/或B”的措辞意指从由(A)、(B)或(A和B)组成的组中进行选择。如本文使用的，呈形式“A、B和C中的至少一种”的措辞意指从由(A)、(B)、(C)、(A和B)、(A和C)、(B和C)或(A和B和C)组成的组中进行选择。
本文描述的方法和/或系统的实施方案可以涉及手动地、自动地或其组合执行或完成选定任务。本文描述的一些方法和/或系统是通过使用包括硬件、软件、固件或其组合的组件来实现的。在一些实施方案中，一些组件是通用组件，诸如通用计算机、数字处理器或示波器。在一些实施方案中，一些组件是专用或定制组件，诸如电路、集成电路或软件。
将认识到，为了清楚起见在单独的实施方案的上下文中描述的本发明的某些特征也可在单个实施方案中组合提供。相反地，为了简洁起见在单个实施方案的上下文中描述的本发明的各个特征也可以单独地或以任何合适的子组合提供或合适地在本发明的任何其他描述的实施方案中提供。在多种实施方案的上下文中描述的某些特征不被认为是那些实施方案的必要特征，除非该实施方案在没有那些要素的情况下不起作用。
参考图1，示出了氧合血红蛋白(HbO2)和(脱氧)血红蛋白(Hb)的典型吸收光谱。发明人已经发现，通过选择两个不同的照射和/或收集波长，并且在一些实施方案中通过选择不同波长范围的两个照射和/或收集波长，使得组织内的脱氧血红蛋白在第一波长的吸光度高于氧合血红蛋白且组织内的氧合血红蛋白在第二波长的吸光度高于脱氧血红蛋白，或者反之，并且这两个波长包括第一波长和第二波长，所述第一波长和第二波长满足针对第一识别的波长和第二识别的波长中的每一个的脱氧血红蛋白和氧合血红蛋白的吸光度之间的相对高(大体上/近似最高)的比率的条件，则产生特定的对比。这种对两个不同波长的独特选择提供了检测氧合血红蛋白(HbO2)和(脱氧)血红蛋白(Hb)的吸光度之间的变化的能力。重要的是，这种对两个不同波长的独特选择提供了确定生物组织状态和确定生物组织状态的变化的能力。
应理解，这种方法与脉搏血氧测定法完全不同，脉搏血氧测定法中，StO2血红蛋白测量取决于心脉冲信号。这种特定的对比能够获取指示被监测组织的表面组织部分的数据，并且在一些实施方案中，获取指示位于被监测组织的表面处的第一组织部分的数据和指示位于被监测组织的一定深度处的第二组织部分的数据。
还应注意，本发明的技术有利地不需要使用任何荧光技术(其成本高，需要向患者注射可能引起过敏的(allergenic)物质，并且耗时)，并且不需要向患者注射任何可能引起过敏的物质(例如造影剂)。
因此，本发明的这种新技术提供了组织氧合图，而不向患者注射任何物质。图像清楚地区分了动脉和静脉。例如，具有较高量的氧合血(Ioxy)值的像素与识别的动脉相关联。它们可以显示为红色(定性地指示对应于该像素的表面下的组织中较多的氧合血)。与识别的静脉相关联的具有中间Ioxy值的像素可以显示为蓝色(定性地指示对应于该像素的视网膜表面下的组织中较少的氧合血)。与识别的缺乏血液的神经和结缔组织相关联的具有低Ioxy值的像素可以显示为白色(定性地指示对应于该像素的视网膜表面下的组织中缺乏任何血液)。
因此，在一些实施方案中，第一波长范围被选择为使得数据指示生物组织的表面附近的组织部分的组织状态，而第二波长范围提供指示被监测的生物组织的一定深度处的组织部分的组织状态的数据。通过使用这种新技术，提供了组织状态的指示，指示生物组织的体积是否包括被认为可存活的充足的/不充足的氧合血。此外，该技术提供了一种能够评估移植中的组织存活力的预测工具。
例如，根据上文描述的原理，第一波长(蓝光)的下限可以是400nm或405nm或410nm或412nm。第一波长的上限可以是418nm或420nm。可选择地，第一波长(蓝光)的下限可以是450nm或460nm，或465nm或468nm。第一波长的上限可以是472nm或475nm或480nm或500nm。
例如，根据上文描述的原理，第二波长(红光)的下限可以是600nm或630nm或640nm。第一波长的上限可以是660nm或670nm或800nm。
在特定且非限制性的实例中，第一波长和第二波长被指定为415nm和650nm(窄的且特定的，并非宽范围)，此时氧合Hb和脱氧Hb之间的比率最大。
可以定性地确定区域下的生物组织的体积中的氧合血含量。如果相对高(存在大比例的氧合血)，则可以被定性为氧合血充足，如果相对低(存在小比例的氧合血)，则可以被定性为氧合血不足。在下文中，当被第一波长范围照射和/或收集时，来自感兴趣的生物组织的表面的至少一个区的光响应(即反向散射的)的强度(每像素或在测量的区域中平均)被称为“Ifirst”。如上文定义的，如本文使用的术语“Ifirst”是由于用具有第一波长范围内的波长的光照射至少一个区而产生的在第一波长范围(例如蓝光)内的从生物组织表面的至少一个区漫反射的(散射的)光的确定强度，第一波长范围如上文定义。当被第二波长范围照射和/或收集时，从感兴趣的生物组织的表面的相同区漫反射的(即反向散射的)光的强度(每像素或在测量的区域中平均)被称为“Isecond”。如上文定义的，如本文使用的术语“Isecond”是由于用具有第二波长范围内的波长的光照射至少一个区而产生的在第二波长范围(例如红光)内的从生物组织表面的至少一个区漫反射的光的确定强度，第二波长范围如上文定义。已经发现，伴随着较低的Ifirst的较高的Isecond指示生物组织表面的区下的生物组织的体积包含相对较多的氧合血，而伴随着较高的Ifirst的较低的Isecond指示该区下的生物组织的体积包含相对较少的氧合血。
在这方面，参考图2A至图2E，其说明了使用光电检测器/示波器装置测量血流阻断程序之前和期间两个预选波长的强度随时间变化的特定且非限制性的实例。
在图2A和图2B中，轨迹20和22对应于第一波长和第二波长的测量信号(光响应强度)的时间演变。
图2C至图2E更具体地示出了在正常条件(即没有血管阻断)在人类手臂上测量的两个波长λ1和λ2的测量的光响应的原始数据(图2C)，在阻断模式开始时在人类手臂上测量的相应光响应(图2D)，以及在阻断模式的2min时间段期间相应光响应的演变(图2E)。
在该非限制性实例中，Ifirst和Isecond两者均使用一个或更多个光电检测器(例如，以60Hz)重复确定，并且被输入到示波器，该示波器在示波器屏幕上将Ifirst和Isecond的值随时间的变化显示为轨迹。外部信号放大器或放大器可以是示波器的一部分，并且可以用于确保Ifirst轨迹20和Isecond轨迹22两者以允许比较的相似值同时显示在示波器屏幕上。
只要Ifirst的轨迹20和Isecond的轨迹22之间的距离(沿y轴的差)保持大体恒定，如图2A，则该比较提供了支持以下结论的证据：生物组织表面的区域下的生物组织的体积包括足以被认为是可存活的氧合血(例如健康的)。如果注意到Isecond的轨迹22的强度值逐渐变低，而Ifirst的轨迹20的强度值逐渐变高，如图2B，则该比较提供了支持以下结论的证据：生物组织表面的区域下的生物组织的体积包括不足以被认为是可存活的氧合血(例如坏死前或坏死的)。
例如，当使用包括用于进行比较的比较器(comparator)的血氧合监测器来监测组织的氧合血含量随时间变化时，Isecond和Ifirst两者均使用一个或更多个光电检测器重复确定(例如，以1Hz)。只要Isecond的值>Ifirst的值，比较器就输出这样的指示，即该比较提供了支持以下结论的证据：生物组织表面的区域下的生物组织的体积包括足以被认为是可存活的氧合血。如果Isecond的值<Ifirst的值，比较器就输出这样的指示，即该比较提供了支持以下结论的证据：生物组织表面的区域下的生物组织的体积包括足以被认为是可存活的氧合血，因此提供了能够监测生物组织中的氧合的组织状态指示。
参考图3，其示出了说明本发明的系统的主要元件的框图。系统100旨在监测生物组织中的氧合。系统100包括控制单元202，该控制单元202被配置并且可操作以接收指示来自生物组织的相同区域R的光响应的数据，该生物组织在两个所选定的波长范围内以至少两个单独的波长λ1和λ2经受照射和/或收集，并且通过比较指示每个所选定的波长范围的数据来处理该数据以确定生物组织的氧合/脱氧状态。照射和/或收集的两个波长范围包括第一波长范围λ1和第二波长范围λ2，第一波长范围λ1中组织内的脱氧血红蛋白的吸光度高于氧合血红蛋白，第二波长范围λ2中组织内的氧合血红蛋白的吸光度高于脱氧血红蛋白，或者反之，并且两个波长范围中的两个波长包括第一波长和第二波长，每个波长满足脱氧血红蛋白和氧合血红蛋白的该波长的吸光度之间的相对高的比率(优选地最高/最大或大体上/近似最高/最大的比率)的条件。在根据本发明的技术的一些实施方案中，其中适当选择了穿透组织内的不同深度的第一波长和第二波长，控制单元202被配置并且可操作以生成组织的经处理的图像，该经处理的图像指示组织的表面附近处的氧合状态与组织的一定深度处的氧合状态的比较。
在一些实施方案中，定量地确定区域下的生物组织的体积中的氧合血状态。已经发现，对于给定组织，Ifirst和Isecond可以一起与组织氧合的数值相关联。如将在下文描述的，Ifirst与Isecond的比较可以产生数值。
在一些实施方案中，控制单元202被配置并且可操作以通过计算两个平均强度之间的比率来处理数据，所述两个平均强度指示来自在两个单独的选定波长范围处被照射和/或收集的生物组织的相同区域的光响应。
例如，组织的状态可以如下地计算：
Figure BDA0003047919170000131
以及
Figure BDA0003047919170000132
其中A和B独立地是除0之外的任何合适的正数并且包括1；其中x和y独立地是包括1的任何合适的数；并且其中m和n独立地是包括0的任何合适的数。
例如，组织的状态可以如下地计算：
Figure BDA0003047919170000133
且
Figure BDA0003047919170000134
在一些实施方案中，控制单元202包括用于进行比较的计算机处理器，例如，诸如在处理器装置诸如台式计算机、膝上型计算机、手持计算机、平板电脑、智能手机、数码相机、医疗装置控制器中发现的计算机处理器。如本文使用的，计算机处理器是可以被编程以执行数学函数和数据处理的电子装置。如本文使用的，处理器是被配置用于接收两个电子信号作为输入并且随后输出构成两个电子信号的比较的电子信号的电子装置。术语处理器的非限制性实例包括比较器、除法电路、示波器和计算机处理器。术语处理器的非限制性实例包括微处理器、数字信号处理器(DSP)、微控制器、现场可编程门阵列(FGPA)、专用集成电路(ASIC)以及诸如计算机、个人计算机、服务器、智能手机和平板电脑的装置。为了实现本文的教导，这样的计算机处理器通常例如通过使用软件指令来编程，以实现本文描述的功能和方法。
控制单元202可以是数字摄像机的一部分或血氧合监测器的一部分。在控制单元202是数字摄像机的一部分的一些实施方案中，本发明的系统因此将一系列图像显示为生物组织表面下的组织的实时血氧合的视频，输出是血氧合组织状态图。在系统是血氧合组织状态监测器的一些实施方案中，控制单元202可以提供瓣片具有足以被认为是可存活的氧合血含量的证据，并且当瓣片具有不足以被认为是可存活的氧合血含量时，输出不同的“警告”信号。
在一些实施方案中，控制单元202不包括用于进行比较的计算机处理器，但包括适合用于进行比较的不同的处理器，例如，示波器、数字比较器和模拟比较器、数字除法电路和模拟除法电路。
控制单元202直接或间接地与检测器单元104(例如光电组件、数码相机)数据连通(例如检测器单元104获取数据并且将数据存储在存储组件上，然后数据从存储组件中恢复并且提供至控制单元202)。如果检测器单元204被放置在离物体一定距离处，则由控制单元202接收的原始数据可以是例如大的感兴趣的区域中在不同的感兴趣的波长处的许多像素的强度。如果检测器单元204被放置成与物体接触，则收集的原始数据可以是最小区域的在不同的感兴趣的波长处的强度。如果使用常规成像器单元104A(被配置并且可操作以接收光响应并且生成至少两个其像素化图像)，在成像单元收集图像数据后，控制单元202可以对至少两个图像进行逐像素比较，确定每像素的生物组织的氧合/脱氧状态，并且生成指示组织氧合/脱氧制图的经处理的图像。如果使用光谱成像器(被配置并且可操作以接收光响应并且生成至少两个其像素化光谱图像)，在成像单元收集图像数据后，控制单元202可以从至少两个像素化图像中提取分别对应于照射和/或收集的波长范围的单色图像数据，进行至少两个单色图像的逐像素比较，确定每像素的生物组织的氧合/脱氧状态，并且生成指示光谱分辨的组织氧合/脱氧制图的经处理的图像。如本文使用的，术语“单色图像数据”指的是呈现像素化图像的数字数据，其中每个像素的值是仅表示光量的单一强度值，也就是说，它仅携带强度信息。如果使用非成像光电检测器单元104B(被配置并且可操作以接收光响应并且生成至少两个其区域的平均强度)，则控制单元202可以从光电检测器单元接收光的第一平均强度和第二平均强度，该光是由于分别用具有第一波长范围和波长范围内的波长的光照射和/或收集生物组织表面的至少一个区域而以第一波长范围和第二波长范围从该至少一个区域漫反射的。
通常，控制单元202可以是处理器、控制器、微控制器或任何种类的集成电路。控制单元202通常被配置为计算/电子工具，该计算/电子工具尤其包括诸如数据输入202A和输出模块/工具202B、存储器202C(即非易失性计算机可读介质)和分析器/数据处理工具202D的工具。因此，控制单元202的工具可以由合适的电路和/或由包括计算机可读代码的软件和/或硬件组件来实现，所述合适的电路和/或包括计算机可读代码的软件和/或硬件组件被配置用于接收指示生物组织的相同区域的至少两个像素化图像的数据，并且用于处理所述数据以生成指示光谱分辨的组织氧合/脱氧制图的经处理的图像。本发明的特征可以包括通用或专用计算机系统，其包括多种计算机硬件组件。在本发明的范围内的特征还包括用于携带或具有存储在其上的计算机可执行指令、计算机可读指令或数据结构的计算机可读介质。这样的计算机可读介质可以是任何可用的介质，其可被通用或专用计算机系统访问。作为实例而不是限制，这样的计算机可读介质可以包括物理存储介质，诸如RAM、ROM、EPROM、闪存盘、CD-ROM或其他光盘存储器、磁盘存储器或其他磁存储装置，或者可以用于携带或存储以计算机可执行指令、计算机可读指令或数据结构的形式并且可以由通用或专用计算机系统访问的期望程序代码工具的任何其他介质。计算机可读介质可以包括通过网络诸如广域网(WAN)(例如互联网)可下载到计算机系统的计算机程序或计算机应用。
在本说明书中和所附的权利要求书中，“控制单元”被定义为一起工作以对电子数据进行操作的一个或更多个软件模块、一个或更多个硬件模块或其组合。例如，控制单元的定义包括个人计算机的硬件组件以及软件模块，诸如个人计算机的操作系统。模块的物理布局并不重要。计算机系统可以包括经由计算机网络耦合的一个或更多个计算机。同样，计算机系统可以包括单个物理装置，该单个物理装置的内部模块(诸如存储器和处理器)一起工作以对电子数据进行操作。控制单元202可以包括嵌入其中或者与其附接的运行计算机程序的处理器。计算机程序产品可以体现为一个或更多个具有在其上体现的计算机可读程序代码的计算机可读介质。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或计算机可读存储介质。可以以一种或更多种编程语言的任何组合来编写用于执行用于本发明的方面的操作的计算机程序代码。程序代码可以完全在用户的计算机上执行、部分在用户的计算机上执行、作为单机软件包执行、部分在用户的计算机上且部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机上或服务器上执行。在后者的场景中，远程计算机可以通过任何类型的网络(包括局域网(LAN)或广域网(WAN))连接到用户的计算机，或者可以连接到外部计算机(例如，通过使用互联网服务提供商的互联网)。这些计算机程序指令可以被提供到通用计算机、专用计算机或用于生产机器的其他可编程数据处理装置的处理器，使得经由计算机的或其他可编程数据处理装置的处理器执行的指令创建用于实现在流程图中和/或在框图的一个或更多个框中所指定的功能/行为的工具。处理器的指定功能可以由执行指定功能或行为的基于专用硬件的系统或者专用硬件和计算机指令的组合来实现。在一些实施方案中，实现包括用户界面，通常包括输入装置(例如，允许输入命令和/或参数)和输出装置(例如，允许报告操作的参数和结果)中的一个或更多个。
例如，不同波长的强度和组织氧合的数值之间的对应表可以被存储在数据库中。这样的表可以被存储在存储器202C中。可选择地，存储可以与服务器(例如SAN存储)分开。如果分开，存储的位置可以在一个物理位置，或者在多个位置，并且通过任何类型的有线或无线通信基础设施连接。数据库可以依靠任何种类的用于存储数字数据的方法或平台。数据库可以包括例如传统的SQL数据库，诸如Oracle和MS SQLServer、文件系统、大数据、NoSQL、内存数据库设备、并行计算(例如Hadoop集群)等。如果存储器202C被配置为数据库的存储介质，它可以包括任何标准或专有的存储介质，诸如磁盘或磁带、光存储、半导体存储等。
在一些实施方案中，系统100被配置成基于云的构造和/或利用基于互联网的计算，使得处理工具202D的部分和/或存储器202C可以位于多个不同的地理位置。在接收到THz响应信号之后，数据处理工具202D能够处理该信号。信号处理步骤的结果可以由显示组件显示和/或存储在存储组件中和/或经由传输组件、信号产生组件及其组合发送到数据通信单元。
更具体地，控制单元202的数据输出202B可以通过使用以下行为中的至少一个来输出：
使用显示组件显示处理结果的表示，该显示组件以人类可以看到的方式产生瞬时或永久的图像(诸如显示屏，例如LED、CRT、LCD或打印机)，
将结果存储在存储组件上(例如，存储在磁介质诸如磁盘、闪存、固态存储器、计算机存储器、光盘、软盘、磁带上)，
使用传输组件将结果传输到远程装置(例如，使用诸如Wi-Fi或
Figure BDA0003047919170000171
收发器、蜂窝电话发射器、调制光发射器、射频发射器的发射器进行无线传输，或者有线传输到诸如计算机、服务器、智能手机、电话、平板电脑的远程装置)；和
使用信号产生组件产生指示结果的人类可感知的信号(例如，人类可看到的视觉信号、人类可听到的听觉信号、人类可感觉到的有形信号，以便当处理提供支持生物组织的体积包括足够的氧合血的结论的证据时指示警报解除和/或当处理提供支持生物组织的体积包括足够的氧合血的结论的证据时指示警告信号)。
这样的人可感知的信号的实例可以是以下中的一个或更多个：听觉信号(即，通过听觉感知的)，例如，当处理提供支持生物组织的体积包括足够的氧合血的结论的证据时的柔和音调，和/或当处理提供支持生物组织的体积包括不足的氧合血的结论的证据时作为警告信号的警报音调；视觉信号(即，通过视觉感知的)，例如，当处理提供支持生物组织的体积包括足够的氧合血的结论的证据时的绿光和/或当处理提供支持生物组织的体积包括不足的氧合血的结论的证据时的闪烁的红光；以及有形信号(即，通过触摸感知的)，例如，当处理提供支持生物组织的体积包括足够的氧合血的结论的证据时的温和振动和/或当处理提供支持生物组织的体积包括不足的氧合血的结论的证据时的强烈且持续的振动。
图像数据的每个像素对应于生物组织表面的区域的特定区i。在一些实施方案中，控制单元202识别每个图像中的特定区i。更具体地，控制单元202被配置为识别第一图像数据中的对应像素P1(i)和第二图像数据中的对应像素P2(i)。控制单元202然后将P1(i)的值与P2(i)的值进行比较，以计算对应于位置i的血氧合组织状态图数据中的像素P3(i)的值Ioxy。所得到的血氧合组织状态图数据是生物组织表面下的组织中氧合血状态的分布的像素化表示。
在一些实施方案中，血氧合组织状态图数据被显示为可视的单一颜色的单色图像，也就是说，所显示的血氧合组织状态图数据包括单一颜色，其中取决于该像素的值Ioxy，每个像素具有不同的颜色强度或阴影(shade)。典型的这样的可视的单一颜色的图像是灰度(例如，黑色是最低像素值，白色是最高像素值，并且灰色阴影是中间值)、棕褐色和绿色。
例如，在一些实施方案中，当比较的结果包括血氧合组织状态图数据时，输出组件被配置为显示人类可视的图像，其中具有较好氧合血组织状态的组织部分与具有较差氧合血组织状态的组织部分被不同地显示。例如，在一些实施方案中，处理器和输出组件被配置为当比较提供支持生物组织的体积包括足以被认为可存活的氧合血的结论的证据时，进行特定输出，例如警报解除信号。
在一些实施方案中，血氧合组织状态图数据被显示为可视着色的单色图像。在这样的实施方案中，每个像素仅具有单一强度值Ioxy，但每个这样的强度值可以被显示为两种或更多种颜色的组合。例如，在一种这样的实施方案中，具有在0和255之间的强度值Ioxy的血氧合组织状态图数据的每个像素通过具有红光强度Ireddisplay＝Ioxy和蓝光强度Ibluedisplay＝255-Ioxy的像素显示在可视着色的单色图像中。
在该示例性实施方案的显示的图像中，高强度值像素被显示为红色，低强度值像素被显示为蓝色，并且中间强度值像素被显示为各种紫色阴影。例如，在不同的这样的实施方案中，具有在0和255之间的强度值Ioxy的血氧合组织状态图数据的每个像素通过以下像素被显示在可视着色的单色图像中：其中在0和100之间的Ioxy值是逐渐变浅的蓝色阴影，在101和149之间的Ioxy值是逐渐变浅的绿色阴影，并且在150和255之间的Ioxy值是逐渐变深的红色阴影。
在一些实施方案中，结果的输出中的一个或更多个是实时进行的。例如，在一些实施方案中，在电子显示屏上显示代表处理结果的图像是实时进行的，例如，以便在对患者进行外科手术期间协助外科医生，确定患者的不同部位的相对氧合血含量。
另外地或可选择地，控制单元202连续地输出所生成的血氧合组织状态图数据：例如，当使用数字摄像机连续地获取一系列图像数据，处理器从这些图像数据连续地生成对应的一系列血氧合组织状态图数据时，所得到的一系列血氧合组织状态图数据可以被连续地显示在屏幕上，在外科手术(例如，脑手术)期间协助护理专业人员识别当给患者特定刺激时变得活跃的大脑皮质的区域。
例如，在一些实施方案中，在进行处理之后立即产生警报解除信号或警告信号。
例如，在一些实施方案中，控制单元202可以实时地本地存储结果和/或实时地无线传输结果用于存储(例如，在电子医疗文件中)和/或激活警告(例如，向护士站)以向医务人员指示存在下方的组织不可存活的证据。在一些实施方案中，控制单元202实时地激活信号，将结果警告医务人员。在一些实施方案中，信号不是实时产生的。因此，存储在存储组件上的血氧合组织状态图数据是可恢复的，尤其是用于传输、存储、存档、显示、研究和自动分析。存储组件是任何合适的数据存储组件。在一些实施方案中，存储组件是选自由以下组成的组的一种或更多种存储组件：光存储组件(例如，光盘、CD、DVD)、磁存储组件(例如，硬盘、闪存、磁带、软盘)、磁光存储组件(例如，迷你盘)和电子存储组件(例如，闪存、固态驱动器)。
存储器202C可以包括可由数据处理工具202D执行的指令。该指令可以可操作以使数据处理工具202D能够接收指示光响应的数据、处理该数据、确定生物组织的氧合/脱氧状态，并且经由数据输出工具202B输出关于氧合/脱氧组织状态的通知。该通知可以由外部单元经由无线或有线连接转发到中央数据库。
在一些实施方案中，系统100可以包括检测器单元104。检测器单元104可以被并入以下装置中的一个，或者可以是以下装置中的一个的组成部分：用于确定生物组织的氧合状态的探头、用于进行血管造影术的装置、用于进行视网膜血管造影术的装置、光谱成像相机、数字医学相机、可吞咽内窥镜(ingestible endoscope)、内窥镜、检眼镜、眼底相机、柔性内窥镜、食管胃十二指肠镜(esophagogastroduodenoscope)、肠镜、胰胆管镜(cholangiopancreatoscope)、结肠镜、乙状结肠镜、鼻镜、支气管镜、膀胱镜、妇科镜(gynoscope)、宫腔镜、输卵管镜(falloposcope)、羊膜镜、胃镜、耳镜、腹腔镜、广视野膀胱镜(panendoscope)和胎儿镜。在这种情况下，本发明提供了具有分析软件的成像仪器，该成像仪器示出了在远距离或接触的大组织区域中血红蛋白氧合制图的能力。在一些实施方案中，检测器单元104确定Ifirst和Isecond。在一些实施方案中，确定Ifirst的检测器单元和确定Isecond的检测器单元是不同的检测器，每个检测器被配置并且可操作以检测不同的选定波长范围内的至少一个电磁束。在一些实施方案中，相应的检测器同时确定Ifirst和Isecond。在一些实施方案中，相应的检测器不同时确定Ifirst和Isecond。
在一些实施方案中，成像器单元104A是被配置并且可操作以获取生物组织表面的像素化单色图像数据的相机。相机可以是单色相机。
在一些实施方案中，系统100包括照射源102，该照射源102被配置并且可操作以用两个单独的波长范围的电磁束来照射生物组织。照射源102包括至少一个光源，该光源用以下进行照射：相干光或非相干光、窄波长范围内的光诸如LED、激光器或配备有滤光器的宽带光源(例如氙灯)，该光源被配置为专门用两个波长范围中特定的一个波长范围的光进行照射。例如，照射源102被配置成专门用具有在第一范围内的波长的第一光或者专门用具有在第二范围内的波长的第二光交替地照射生物组织的表面。照射源102可以是单个物理单元或多于一个物理上分离的单元，其中多于一个单元可以一起或独立地可操作。根据本文的教导，控制单元202可以被配置用于向系统100的其他组件提供电力并且激活这些组件。更具体地，控制单元202可以被配置并且可操作以控制(例如激活)照射源102并且选择照射的波长范围。
在一些实施方案中，漫反射光(具有两个波长范围中的一个或两个)通过光/波导被引导至检测器单元。例如，组织表面的至少一个区用由照射源102产生并且用光导引导至表面附近的光照射。可选择地，在一些实施方案中，漫反射光(具有两个波长范围中的一个或两个)在不使用光导的情况下到达检测器单元104。用具有在第一波长范围内的波长的光和具有在第二波长范围内的波长的光照射至少一个区可以是同时的，或可以不是同时的。
在一些这样的实施方案中，系统100还包括至少一个滤光器(例如可变的(changeable))，该滤光器在第一状态下仅允许第一波长透射至检测器单元，在该状态期间，检测器单元被配置用于仅确定第一波长范围的数据，并且该滤光器在第二状态下仅允许第二波长范围透射至检测器单元，在该状态期间，检测器单元被配置用于仅确定第二光的数据。在一些这样的实施方案中，检测器单元包括被配置为仅检测第一波长范围的第一检测器单元，以及被配置为仅检测第二波长范围的第二检测器单元。
在一些实施方案中，系统100包括确保只有漫反射光被光检测器检测(例如，通过防止检测镜面反射光)的组件。用于确保只有漫反射光被检测的组件对于本领域普通技术人员来说是熟知的。在一些实施方案中，检测器单元104在功能上与偏振滤波器(例如相对于偏振照射器交叉偏振的偏振滤波器)相关联。在一些实施方案中，系统100包括至少两个交叉偏振元件，该交叉偏振元件与照射源102和检测器单元104相关联，并且被配置并且可操作以滤除来自组织的镜面反射。
参考图4，图4示出了本发明的系统200的实例。在此特定且非限制性的实例中，控制单元202与检测器单元204和照射源302数据连通，在此实例中，检测器单元204是RGB传感器。在此特定且非限制性的实例中，照射源302包括三个蓝色LED和三个白色LED。
参考图5A-图5D，图5A-图5D示出了通过使用本发明的教导进行的临床研究。临床研究旨在验证本发明的技术对比通过标准脉搏血氧计和tcpO2装置对手指中的StO2的系统监测。在该研究中，用气动袖带进行血管阻断，导致手指以及手臂皮肤中的StO2的同时减少。参考图5A，充气袖带被充气以减少氧合血向前臂的流动，并且在3分钟之后，将充气袖放气。图5A示出了标准TC-PO2系统(PERIMED)和使用本发明的系统进行的同时测量之间的相关性。这两个装置被放置在患者的左臂上。在通过血压袖带充气减少血液循环之前、期间和之后进行测量。在图5A中可以看出，通过袖带的充气减少向手臂的血流导致手臂中氧合血量的可测量的减少。重要的是，使用本文的教导(下图)和tcpO2(上图)获得的测量的绝对值之间的密切相关性证明，本文的教导可以被校准(例如，相对于tcpO2传感器)以提供生物组织中氧合状态的定量测量。
图5B-图5D示出了3名健康志愿者在通过气动袖带充气进行的血管阻断期间组织氧合的监测。比较了使用本发明的教导和标准脉搏血氧计(手指探头)的同时测量。更具体地，图5B示出了在通过血压(BP)袖带的血液循环关闭程序期间，使用本发明的系统在手臂皮肤中以及使用脉搏血氧计在手指中的组织氧合的未校准测量。当脉搏不可察觉(inattentive)时，没有观察到来自脉搏血氧计的信号。图5C和图5D示出了在通过BP袖带的血液循环关闭程序期间，使用本发明的系统在手臂皮肤中以及使用脉搏血氧计在手指中的组织氧合状态的未校准测量。当脉搏不可察觉时，没有观察到来自脉搏血氧计的信号。示出了测量开始和结束时两个数据之间的良好相关性。参考图5B-图5D，可以看出，只要不存在脉搏，脉搏血氧计就不能确定氧合血含量(曲线51、曲线52、曲线54)，但是根据本文教导的组织氧合传感器继续运行而不中断(曲线50、曲线56、曲线58)。全身性组织氧饱和度和局部组织氧饱和度之间的动力学差异被清楚地示出。
在对志愿者和患有肺功能不全的患者的临床研究中，在本发明的系统和标准脉搏血氧计测量之间观察到具有显著相关性的可靠且可重复的结果。在烧伤病房住院的患者通常患有肺功能不全和急性呼吸衰竭，并且接受机械通气。患者需要通过流体抽吸进行的肺清洁(一种从肺去除粘液的方法)。在该程序期间，取决于肺损伤的程度，患者逐渐脱离呼吸机和系统性StO2。在肺清洁程序期间，在通过标准脉搏血氧计进行系统性StO2记录的同时，使用本发明的系统对患者进行了多次测量。本发明的系统的检测器单元被附接至患者腿的皮肤。在肺清洁程序期间，使用本发明的系统和脉搏血氧计对烧伤病房中患者的组织氧合进行监测。
在这方面，参考图6，图6示出了在肺清洁程序期间，使用利用508中的本发明的组织氧合传感器和510中的脉搏血氧计的系统，对烧伤病房中患者的组织氧合的监测。将本发明的组织氧合传感器和脉搏血氧计放置在患有肺功能不全的严重烧伤患者的手臂上。在此图中，示出了在肺清洁程序期间使用本发明的系统(b)和脉搏血氧计(a)对烧伤科患者的组织氧合的测量。更具体地，轨迹'a'对应于由脉搏血氧计确定的血氧合值，并且轨迹'b'对应于根据本发明教导的测量绝对值。可以看出，测量开始和结束时两个数据之间存在良好相关性。这证明本发明的教导可以被校准(例如，相对于脉搏血氧计校准)以提供组织中血氧合状态的定量测量。有趣的是，轨迹开始于烧伤患者的氧气供应暂停，使得患者呼吸正常的空气，并且因此患者的氧合血含量下降时。当在300秒处再次向患者提供呼吸的氧气时，两个传感器均示出氧合血含量的立即增加。
参考图7A，图7A表示本发明的系统300的可能的光学设置。控制单元202与检测器单元104和照射源402数据连通。在此特定且非限制性的实例中，照射源402包括两个窄带光源，例如LED或激光器。每个LED以不同的选定波长λ1和λ2照射物体。检测器单元104(例如数码相机)用于收集被测量/监测的组织的光响应。在此非限制性实例中，检测器单元104包括用作第一波长光检测器和第二波长光检测器两者的单个光检测器(例如，光电传感器、单色数码相机、单色数码摄像机)。在系统300中使用不同的分束器610和620来分离不同波长λ1和λ2的照射和收集。
应理解，可选择地或另外地，可以使用相同的光源(例如LED或激光器)(例如其可以配备一个或更多个适当的光谱滤波器)来用不同但光谱上接近的第一波长范围和第二波长范围(例如，均在蓝色光谱中)的第一波长和第二波长进行两个或更多个测量会话。在这种情况下，使用两种不同波长的测量/成像可以在及时分离的会话中植入。下文将更具体地描述该实施方案。
参考图7B，图7B表示本发明的系统400的可能的光学设置。控制单元202与检测器单元304和照射源502数据连通。在此特定且非限制性的实例中，照射源502包括一个光源，例如LED。检测器单元104(例如数码相机)包括收集光响应的两个检测器。每个检测器被配置并且可操作以收集两个选定的单独的波长λ1和λ2处的光响应。在系统400中使用分束器610来分离不同波长λ1和λ2的收集。
参考图7C，图7C表示本发明的系统500的可能的光学设置。控制单元202与检测器单元404和照射源502数据连通。在此特定且非限制性的实例中，照射源502包括两个光源，例如LED。每个LED以不同的选定波长λ1和λ2照射物体。检测器单元404(例如数码相机)包括收集光响应的两个检测器。每个检测器被配置并且可操作以收集两个选定的单独的波长λ1和λ2处的光响应。在系统500中使用分束器620来分离不同波长λ1和λ2的收集。
参考图7D，图7D表示本发明的系统600的可能的光学设置。在系统600的一些实施方案中，照射源36包括宽带分量光源(例如，氙灯)，用于发射具有在第一波长范围内和第二波长范围内的两种波长的光。由光源发射的光通过可改变的滤光器44被导向生物组织的表面40，该可改变的滤光器44包括仅允许具有第一波长范围内的波长的光透射的第一滤光器46a和仅允许具有第二波长范围内的波长的光透射的第二滤光器46b。滤光器46a和46b被安装在可旋转盘48上。控制单元38可以激活电动机50来旋转盘48，使得滤光器46a和46b交替地过滤来自宽带分量光源的光，使得生物组织40的表面交替地仅被具有第一范围内的波长的光或者具有第二范围内的波长的光照射。
在一些实施方案中，照射源102可以包括至少两个光源，每个光源被配置并且可操作成以不同的选定波长范围照射生物组织。可以通过交替地使用具有不同波长范围的两个光束来照射组织。可选择地，通过使用具有两个不同的滤波器的宽带光源照射组织，这两个不同的滤波器允许选定波长范围的透射。例如，照射源包括具有功能上相关的可改变的滤光器的宽带分量光源(例如，氙灯)，该可改变的滤光器包括例如安装在可旋转盘上的仅允许具有第一波长范围内的波长的光透射的滤光器和仅允许具有第二波长范围内的波长的光透射的不同的滤光器。
参考图7E，图7E表示本发明的系统650的可能的光学设置。系统650包括两个光学光导(光纤电缆)：用于将来自生物组织的表面40的光响应引导至光检测器34的光学光导54和用于引导来自照射源36的照射光以照射生物组织的表面40的光学光导56。
参考图8，图8示出了说明本发明的方法的流程图700。
方法700包括在702中确定用于在一个或更多个测量会话中使用的操作数据(即照射和/或收集波长)，以能够收集指示生物组织的氧合/脱氧组织状态的数据。这是通过在两个波长范围内选择两个单独的波长，以便能够生成指示生物组织的一个区域对所述两个波长的光响应的数据来实现的。这两个波长范围包括第一波长范围和第二波长范围，第一波长范围中组织内的脱氧血红蛋白的吸光度高于氧合血红蛋白，第二波长范围中组织内的氧合血红蛋白的吸光度高于脱氧血红蛋白，或者反之，并且所述两个波长范围中的两个波长包括第一波长和第二波长，所述第一波长和第二波长满足针对识别的波长范围的脱氧血红蛋白和氧合血红蛋白的吸光度之间的相对高的比率(优选地大体上/近似最高的比率)的条件。在步骤704和706中，该方法对使用上述两个波长在一个或更多个测量会话中测量的光响应数据进行分析。从测量的数据的提供装置接收测量的数据，该提供装置可以是测量/成像单元本身(在线模式)或者是测量的数据先前所在的存储装置(离线模式)。因此，接收并且处理指示两个单独的选定波长范围处来自生物组织的相同区域的光响应的测量的数据，并且确定生物组织的氧合/脱氧组织状态。
在一些实施方案中，704中的处理包括在704A中的比较指示每个选定波长范围的数据。如果接收非成像数据，则可以通过计算两个平均强度之间的比率来实现比较，所述两个平均强度指示两个单独的选定波长范围处来自生物组织的相同区域的光响应。可选择地，如果接收成像数据，则可以通过以下来实现比较：在每个图像中识别指示区域的特定区的像素；以及对每个特定区进行至少两个像素化图像的逐像素比较。可选择地，如果接收光谱成像数据，则可以通过以下来实现比较：从至少两个像素化图像中提取分别对应于照射和/或收集的选定波长范围的至少两个单色图像；以及对至少两个单色图像的每个特定区进行逐像素比较。
在一些实施方案中，方法700包括在708中的生成指示组织氧合/脱氧制图的经处理的图像。组织的经处理的图像指示组织的表面处的氧合状态与组织的一定深度处的氧合状态的比较。在一些实施方案中，方法700包括在708中的生成经处理的图像，该经处理的图像指示位于被监测组织的表面附近处的第一组织部分和第二组织部分两者的氧合状态。
在一些实施方案中，方法700包括在710中的用至少两个具有不同选定波长范围λ1和λ2的电磁束照射生物组织。
在一些实施方案中，方法700包括在712中的收集指示两个单独的选定波长范围处来自生物组织的相同区域的光响应的成像数据或非成像数据。
在一些实施方案中，方法700包括在714中的显示感兴趣的区域的氧合/脱氧状态。
在一些这样的实施方案中，该方法还包括：在确定以第一波长范围从生物组织表面的至少一个区域漫反射的光的强度期间，用具有在第一波长范围内的波长的光照射该至少一个区域；以及在确定以第二波长范围从生物组织表面的至少一个区域漫反射的光的强度期间，用具有在第二波长范围内的波长的光照射该至少一个区域。
例如，在一些实施方案中，该方法用控制单元202来进行，该控制单元202是笔状组织氧合探头的一部分，该笔状组织氧合探头用于协助医务人员确定组织的部分是否接收足够的氧合血。医务人员使探针与组织的表面(例如，移植的瓣片)接触，并且激活本发明的系统。该系统报告处理是否提供了瓣片具有足以被认为是可存活的氧合血含量的证据。
监测可以重复进行持续任何合适的时间段。例如，如果本文的教导被实施用于外科手术期间组织的血氧合状态的视频成像，则该时间段持续医务人员认为有用的时间，通常持续外科手术的持续时间。例如，如果本文的教导被实施用于对康复病房中的人的组织瓣片的血氧合状态的连续监测，则该时间段是医务人员认为有用的时间，通常持续几天的时间，直到医务人员认为对瓣片的血液供应充足并且不再需要监测。特别地，对于本发明的教导，组织的表面处的组织氧合状态的监测可以独立于通常由脉搏血氧测定提供的全身性血液循环状态定量地且连续地提供。
重复率是由对医务人员有用的内容为每个特定实施方案确定的任何合适的频率。由于收集和处理的数据量非常低，如果发现有用，频率可以是100Hz，或甚至更频繁。在一些实施方案中，较慢的频率是足够的，例如，在其中本文的教导被实施用于监测康复病房中的人的组织瓣片的血氧合的一些实施方案中，重复率通常不快于1Hz，例如，每分钟一次，或者甚至每5分钟一次。
参考图9A-图9C，图9A-图9C示出了通过使用本发明的技术在三种不同夹持模式下获取的手指的三幅图像：正常(图9A)、缺血2分钟(图9B)和再灌注后(图9C)。图9A示出了在正常手指条件下通过手指夹持的组织缺血模型。在此特定且非限制性的实例中，通过使用宽带光源(冷白光)以蓝光(λ1)和红光(λ2)波长范围的同时采集(simultaneousacquisition)来照射手指。图像处理包括使用16色LUT将灰度图像转换成假彩色图像。
实施例
实施例1A
为了监测组织瓣片的氧合血组织状态，系统包括在图10中示意性地描绘的两个氧合传感器82。每个氧合传感器82具有密封的防水传感器主体84，传感器主体84具有接触面86，接触面86具有对至少405nm至670nm的范围内的光波长是透明的0.5mm半径的照射窗口64。
以下包含在传感器主体84的内部：
a.电源66(电池)，用于向氧合传感器的其他组件提供电能；
b.作为第一照射器42a的LED，该LED被配置为产生具有从405nm至420nm的波长的光，并且通过照射窗口64投射所产生的光；
c.作为第二照射器42b的LED，该LED被配置为产生具有从630nm至670nm的波长的光，并且通过照射窗口64投射所产生的光；
d.作为第一(蓝色)检测器和第二(红色)检测器的单个光电检测器34，该单个光电检测器34被配置为确定至少405nm至670nm的范围内的光的强度；
e.
Figure BDA0003047919170000281
无线收发器68；和
f.控制器38，包括印刷电路板上的计算机处理器、定时器和固态存储器，该控制器38与氧合传感器的其他组件在功能上相关联，并且被配置为：
i.接收用户经由收发器68发送的激活命令；
ii.在接收到命令时，交替地激活第一和第二照射器42a和42b，以按照经由收发器68从用户接收到的频率和持续时间照射表面86接触的生物组织表面的区域；
iii.从光电检测器34接收Ifirst(当第一照射器42a被激活时从生物组织的表面漫散射的光的强度)和Isecond(当第二照射器42b被激活时从生物组织的表面漫散射的光的强度)，并且将其存储在控制器38的存储器中；
iv.通过计算Ioxy＝Isecond/Ifirst来比较接收的Ifirst和Isecond；和
v.经由无线收发器68以用户选择的频率将计算的Ioxy传输至远程装置，氧合传感器82经由无线收发器68与该远程装置无线连通。氧合传感器68没有任何透镜。
为了方便使用，两个提供的氧合传感器82中的第一个用施加至接触表面86的框架的粘合剂固定至人类受试者的耳垂。两个提供的氧合传感器82中的第二个用施加至接触表面86的框架的粘合剂固定至人类受试者组织的瓣片，该瓣片是在翻瓣手术期间形成的瓣片。
形成
Figure BDA0003047919170000291
微微网(piconet)，包括作为主设备的支持
Figure BDA0003047919170000292
的智能手机和作为从设备的两个氧合传感器86，智能手机根据需要被编程为实现本文的教导。以每秒一次的频率，智能手机接收来自耳垂传感器86的Ioxy(参考)，以及来自瓣片传感器86的Ioxy(瓣片)。
在微微网形成之后的第一分钟，智能手机计算比率氧含量(OxContent)(0)＝Ioxy(瓣片)/Ioxy(参考)，作为指示瓣片从翻瓣手术期间剩余的和/或新形成的血液供应中接收充足的氧合血的参考值。
随后，两个氧合传感器传输两个Ioxy值，并且智能手机计算对应的氧含量(t)值。只要氧含量(t)保持在氧含量(0)的80％内，智能手机就简单地将氧含量(0)存储在智能手机存储器中。如果氧含量(t)降至低于氧含量(0)的80％，则智能手机向住院医生传输警报，然后住院医生可以选择检查瓣片是否仍然可存活。
回到图7A-图7C，图7A-图7C图示地例示了适合于实现本发明的光学系统，应注意，第一和第二不同的波长可以相对接近。此外，光源可以利用激光器。换句话说，考虑到例如图6A的设置，标记为LEDλ1和LEDλ2的元件可以包括两个不同的激光器，或者可选择地，分别包括同一激光器的两个连续操作。因此，控制单元(图6A中的202)可以被配置并且可操作以处理对应于/收集于及时分离的成像会话中的第一图像数据和第二图像数据。这可以例如通过以下来实现：在第一时间窗口中用第一波长照射组织(例如，使用第一照射源)并且在第二时间窗口中用第二波长照射相同的组织(例如，使用第二照射源)。在使用不同照射波长的同时用交替数据操作(即，在及时分离的测量/成像会话中进行成像会话)消除了对光谱选择性滤波器610、620的需要，该光谱选择性滤波器610、620例如可以被交叉偏振器代替。因此，图中的附图标记610、620可以包括偏振器。可选择地，可以使用具有分别在第一时间窗口和第二时间窗口中操作的不同的第一光谱滤波器和第二光谱滤波器的同一照射源。使用这样的交替测量模式的另外的优点是，可以以不同但接近的波长进行照射，而不存在收集的信号之间的干扰。交叉偏振器610、620(如果使用的话)可以被配置为滤除来自组织表面的镜面反射，并且因此将提供高的信号背景比。还应注意，可以使用产生偏振光的激光器单元，当与交叉偏振方案结合使用时，该配置提供了更高的能量效率。此外，使用不同但接近的波长有利地允许消除补偿色差的需要。
更具体地，在利用以不同但光谱上接近的第一波长和第二波长进行照射的这些实施方案中，波长可以是约415nm(415±5nm)和约430nm-440nm(例如435nm)。应注意，由于反向散射光信号实际上来自组织的相同深度，成像系统不需要任何光学器件来补偿深度差，并且将简化以不同波长的测量之间的交替。用于这样的实施方案的二极管激光器是容易可得的，并且也可以被控制以提供短脉冲来减少能量消耗和增加安全性。因此，使用这样的光谱接近的光源可以容易地可得，并且可以单独地且独立于大血管氧合信息提供组织氧合的监测。应该强调的是，以这样的方式收集的组织氧合信息独立于大血管氧合信息，因为蓝光主要从表面反射和散射，并且紧邻组织表面，而大血管存在于组织的一定深度处。
实施例1B
与实施例1A相同，其中监测的表面是：
移植的组织(例如，被移植为拇指的大脚趾)；
用于重建鼻的来自前额的瓣片；
由腹部组织重建的乳房；
乳房缩小手术后的乳房；和
遭遇事故的人的部分，并且不清楚该部分是否可存活。
实施例1C
使用了类似于实施例1A中描述的组织氧合传感器。传感器的主体是2-cm直径的塑料盘。RGB光电传感器(Hamamatsu Photonics K.K.,Shizuoka,Japan的S9706)被放置在盘的中心。发现光电传感器检测650nm的红光的强度和413nm的蓝光的强度。围绕光电传感器以圆形放置了8个LED作为传感器的照射源：4个暖白色LED(BroadcomLtd.,Irvine,California,USA的ASMT-UWB-1-NX3J2)和4个蓝色LED(Osa Opto Light GmbH,Berlin,Germany的OCU-400 411OS，其被发现产生413nm的光)。
标准的充气袖带被放置在患者的上臂上。将组织氧合传感器和标准商购可得的tcpO2传感器(Perimed AB,
Figure BDA0003047919170000311
Sweden)紧挨着一起放置在患者前臂的下侧，其中两个传感器的输出端导向膝上型计算机，以接收和分析从两个传感器接收的数据：来自tcpO2传感器的血氧合的测量以mm Hg的单位指示，并且来自组织氧合传感器的血氧合的测量以Isecond/Ifirst指示。该实验的结果在上文描述的图5A中示出。
应注意，类似的高相关性测量结果已经在本发明的组织氧合传感器和标准脉搏血氧计之间获得，并且在上文描述的图5B-图5D和图6中示出。这些图示出了由标准脉搏血氧计确定的血氧合值和使用本发明的组织氧合传感器的测量绝对值之间的密切相关性。
实施例2A
在图11中，图示描绘了根据本文教导的系统98的实施方案，大体上是计算机处理器76，其是商购可得的膝上型计算机100的组件。通过输入端口12，计算机处理器76与光谱成像相机102和宽带照射源36在功能上相关联(从ASI(Migdal Haemek,Israel)商购可得的SD-300光谱成像相机，配有卤素灯照射源和交叉偏振滤波器组)。处理器76还通过证据输出端口14与以下输出组件在功能上相关联：作为显示组件的显示屏104a和打印机104b，作为存储组件的外部硬盘104c，以及作为传输组件的
Figure BDA0003047919170000312
收发器104d。
与相机102相关联的图像处理软件被编程为在计算机100上运行，以根据本文的教导从由相机102接收的获取的光谱图像中自动提取第一像素化单色图像数据(蓝色图像数据)和第二像素化单色图像数据(红色图像数据)，并且然后根据本文的教导使用逐像素除法(对于每个像素，Ioxy＝Isecond/Ifirst)自动生成第三像素化单色图像数据作为组织氧合图数据。
使用图11中描述的设置，获得身体部位表面的光谱图像，并且自动生成身体部位的血氧合组织状态图数据，示出该身体部位表面下的组织中的氧合状态。
具体地，患者将夹具放置在手指的基部周围，然后通过使用相机102获取手指的光谱图像并且将所获取的光谱图像每30秒一次提供给处理器76，生成第三像素化单色图像数据作为血氧合组织状态图，如上文描述的。生成对应的血氧合组织状态图数据，将其保存在硬盘104c上，并且着色的版本显示在屏幕104a上，并且任选地使用打印机104b打印在纸上。如果需要，使用收发器104d将血氧合组织状态图数据传输至智能手机。
使用数字摄影领域中已知的实现16色LUT(Lookup Table)的免费可得的软件，以假彩色对所显示的血氧合组织状态图进行着色，使得具有最高值的像素显示为深红色(定性地指示对应于该像素的皮肤下的组织中更多的氧合血)，并且具有最低值的像素显示为深蓝色(定性地指示对应于该像素的皮肤下的组织中更少的氧合血)。中间强度值被分配14种不同颜色中的一种，该14种不同颜色从深红色进展到橙色，从橙色进展到黄色，从黄色进展到绿色，从绿色进展到蓝色，并且最终进展到深蓝色。
从显示的着色的血氧合组织状态图看出手指中的氧合血含量是如何逐渐减少的。在三分钟之后，从手指上取下夹具，并且从显示的着色的血氧合组织状态制图中看出手指中的氧合血的量如何逐渐增加回到正常。
实施例2B
该系统用于同时获取人类视网膜的蓝色图像数据和红色图像数据。来自第一相机的蓝色图像数据和来自第二相机的红色图像数据的同时获取的图像对被输入到适当配置的(使用图像处理软件)作为处理器的通用膝上型计算机，以进行红色图像数据除以蓝色图像数据的逐像素除法(对于每个像素，Ioxy＝Isecond/Ifirst)，以生成构成视网膜的血氧合组织状态图数据的第三像素化单色图像数据。计算机通过在计算机屏幕上将数据显示为灰度图像并且将数据保存在计算机硬盘上来输出第三像素化单色图像数据。
对显示的灰度图像进行处理，并且识别与图像中清楚地对应于动脉、静脉和视网膜的部分相关联的强度值。使用数字摄影领域中已知的实现16色LUT(Lookup Table)的免费可得的软件以假彩色生成着色的第三图像，使得与所识别的动脉相关联的具有更高Ioxy值的像素被显示为红色(定性地指示对应于该像素的视网膜表面下的组织中更多的氧合血)，与所识别的静脉相关联的具有中间Ioxy值的像素被显示为蓝色(定性地指示对应于该像素的视网膜表面下的组织中较少的氧合血)，并且与所识别的缺乏血液的神经和结缔组织相关联的具有低Ioxy值的像素被显示为白色(定性地指示对应于该像素的视网膜表面下的组织中缺乏任何血液)。
所得到的血管造影图像不仅示出异常高的分辨率，甚至示出最小的动脉和静脉，而且允许研究图像的人清楚地区分动脉和静脉。
实施例2C
在一些实施方案中，光波导(例如，作为内窥镜的一部分的光波导)被连接至成像相机(例如，光谱相机)的物镜，使得光波导将从生物组织的表面反射的光引导至物镜进行检测。在一些这样的实施方案中，内窥镜的尖端包括照射源，例如白光源。在可选择的这样的实施方案中，光波导与照射源(例如，白光源、氙灯)在功能上相关联，使得照射源引导来自照射源的光，以照射生物组织的表面。
实施例2D
医生正在护理由于糖尿病而患有足部溃疡的受试者。以与上文描述的类似或相同的方式，获取足部溃疡的蓝色图像数据和红色图像数据，并且生成足部溃疡的血氧合组织状态图数据。医生开出了用血管扩张剂治疗患者的处方。在患者服用血管扩张剂一周之后，获取足部溃疡的蓝色图像数据和红色图像数据，并且如上文描述生成治疗后足部溃疡的血氧合组织状态制图数据。医生在视觉上显示和比较两个血氧合组织状态图数据，以查看用血管扩张剂的治疗在治疗溃疡方面是否有效。
实施例2E
本文的教导被用于在许多外科手术程序之后监测皮瓣存活力。在外科手术程序中，当患者住院时，对具有组织瓣片(在翻瓣手术期间形成的瓣片)或移植物的受试者进行监测。以与上文描述的类似或相同的方式，获取蓝色图像数据和红色图像数据，并且根据需要生成瓣片和周围组织的血氧合组织状态图数据，其中蓝色图像数据波长是405nm至420nm，并且红色图像数据波长是630nm至670nm，并且P3(i)＝P1(i)/P2(i)。生成的血氧合组织状态图数据通过存储在数字存储器(例如固态硬盘)中被输出。生成的血氧合组织状态图数据被显示并查看，以确定瓣片/移植物是否具有足以可存活的血液供应，或者是否需要外科手术干预。在第一种情况下，使用常见的在实验性外科手术中的啮齿动物瓣片模型来通过部分组织切除在小鼠中建立基于背部的筋膜皮瓣。图12A(RGB图像)和图12B(从光谱图像生成的血氧合组织状态图)属于操作后一小时的皮瓣。图12C(RGB图像)和图12D(从光谱图像生成的血氧合组织状态图)是操作后72小时的相同皮瓣，示出了由于向瓣片的底部部分的不足的血液供应而导致的坏死。
在第二种情况下，在患者中监测前额至鼻移位的结果。在这样的外科手术中，来自前额的皮瓣被移至鼻，同时仍然从前额中的动脉接收血液。当并且如果皮瓣从鼻区域的组织发展充足的血液供应，则前额动脉可以从皮瓣断开。
图13A描绘了外科手术后3天从皮瓣的光谱图像生成的血氧合组织状态图。在图像的右上侧可以看到用于阻止血液从前额动脉流向皮瓣的手术钳。皮瓣的深色(通过黑色箭头指示)表明瓣片具有来自鼻区域的不足的氧合血，并且依靠来自前额动脉的血液来保持存活。
图13B描绘了外科手术后10天从皮瓣的光谱图像生成的类似的血氧合组织状态图。皮瓣的白色表明，从鼻区域向瓣片的血液供应足以确保瓣片的存活力，并且前额动脉可以安全地从皮瓣断开。
在第三种情况下，使用本文教导的实施方案来评价鼻重建外科手术进行之后14天鼻重建外科手术的结果。图14A示出了患者面部的完整图像。图14B示出了从光谱图像生成的血氧合组织状态图。在图14B的血氧合组织状态图中重建的鼻的深色表明重建的鼻具有足以可存活的血液供应。重复上述实验，其中蓝色图像数据是波长从460nm至480nm的数据，并且红色图像数据是波长从630nm至670nm的数据。获得的结果与上文描述的结果大体上相同。
实施例2F
以与上文描述的类似或相同的方式，获取经历过交通事故的人的受损的肢体和器官的蓝色图像数据和红色图像数据，并且生成对应的血氧合组织状态图数据。血氧合组织状态图数据通过在屏幕上显示(任选地着色的)和任选地保存在例如硬盘上来输出。治疗的医生研究显示的血氧合组织状态图数据，以确定哪些组织可以被挽救，例如通过外科手术，以及哪些组织必须被切除。
实施例2G
本文的教导被用于在刺激期间实时监测脑功能。提供了类似于上文描述的成像系统的成像系统，其中数码相机是摄像机，并且相关联的处理器被配置为实时地根据本文的教导以期望的频率(例如，1Hz、20Hz、60Hz)从相应的相机连续地同时地获取红色图像数据(波长630nm至670nm)和蓝色图像数据(波长405nm至420nm)的对，以便使用逐像素除法(Ioxy＝Isecond/Ifirst)来生成对应的血氧合组织状态图数据，并且然后通过保存至盘和通过显示获取图像的生物组织表面的实时视频血氧合组织状态图来输出所生成的血氧合组织状态图数据。
在对受试者进行脑外科手术期间，获取受试者的脑的右半球的暴露的皮质表面的图像数据对，并且在执行外科手术的外科医生可视的屏幕上显示大脑皮质表面的实时视频血氧合组织状态图。当外科医生刺激受试者的肢体(例如，左手)时，作为刺激结果的具有较高氧合血含量的皮质表面的部分指示皮质表面的该部分与受刺激的肢体相关。
图15A描绘了人类受试者的脑的右半球的部分的RGB图像。图15B、图15C和图15D描绘了根据本文的教导生成的皮质表面的部分的血氧合组织状态图，其中：图15B无刺激，图15C具有左手的低刺激，并且图15D具有左手的高刺激。图15C和图15D指示作为刺激的结果示出增加的氧合血含量的脑的部分。重复上述实验，其中蓝色图像数据是波长从460nm至480nm的数据，并且红色图像数据是波长从630nm至670nm的数据。获得的结果与上文描述的结果大体上相同。
实施例2H
本文的教导被用于监测使用光热治疗的癌症治疗。裸鼠被皮下接种H29人类结肠癌。在3周之后，肿瘤被暴露，并且由ESC医疗系统(Yokneam，Israel)使用IPL(强脉冲光)装置进行光热治疗，大体上如Kostenich G等人"Photothermic treatment of pigmentedB16 melanoma using a broadband pulsed light delivery system”Cancer Letters,157,2,(161),(2000)中描述的。在治疗期间，使用光谱成像相机获取肿瘤的全光谱图像数据。从全光谱图像数据中提取具有从460nm至480nm的波长的蓝色图像数据和具有630nm至670nm的波长的红色图像数据。本文描述的血氧合组织状态图通过逐像素除法(P3(i)＝P1(i)/P2(i))来生成。图16A描绘了在光热治疗之前生成的肿瘤的血氧合组织状态图。可以看出肿瘤未受损。图16B描绘了在经受对应于40J/cm2的多个光脉冲之后生成的肿瘤的血氧合组织状态图。肿瘤底部处的氧合血减少指示光辐照引起的血管阻断和缺血。图16C描绘了在经受对应于80J/cm2的多个光脉冲之后生成的肿瘤的血氧合组织状态图。整个肿瘤完全不存在氧合血指示大体上所有的肿瘤血管都通过光辐照被阻断，导致肿瘤细胞死亡。重复上述实验，其中从全光谱图像数据中提取具有从405nm至420nm的波长的蓝色图像数据和具有630nm至670nm的波长的红色图像数据。获得的结果与上文描述的结果大体上相同。

Claims (36)

1.一种用于监测生物组织中的氧合的系统，所述系统包括控制单元，所述控制单元被配置并且可操作以接收指示来自所述生物组织的相同区域的光响应的数据，所述生物组织经受两个所选定的波长范围内的两个单独的波长处的照射和/或收集，并且通过比较指示每个所选定的波长范围的数据来处理所述数据以确定所述生物组织的氧合/脱氧状态，其中照射和/或收集的两个波长范围包括第一波长范围和第二波长范围，所述第一波长范围中所述组织内的脱氧血红蛋白的吸光度高于氧合血红蛋白，所述第二波长范围中所述组织内的氧合血红蛋白的吸光度高于脱氧血红蛋白，或者反之，并且所述两个波长范围中的两个波长包括第一波长和第二波长，所述第一波长和所述第二波长满足针对第一识别的波长和第二识别的波长中的每一个的所述脱氧血红蛋白和所述氧合血红蛋白的吸光度之间的比率的预先确定的条件。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述条件对应于针对所述第一识别的波长和所述第二识别的波长中的每一个的所述脱氧血红蛋白和所述氧合血红蛋白的吸光度之间的最大或最高比率。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一波长范围被选择为使得所述数据指示位于被监测的组织的表面处的第一组织部分，同时所述第二波长范围被选择为使得所述数据指示位于被监测的组织的一定深度处的第二组织部分。
4.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述第一波长在从约400nm至约420nm或从约450nm至约500nm的所述第一波长范围内，并且所述第二波长在从约600nm至约800nm的所述第二波长范围内。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一波长范围和所述第二波长范围大体上在相同的光谱带中，所述第一波长范围和所述第二波长范围被选择为使得数据指示被监测的组织的表面组织部分。
6.根据权利要求5所述的系统，其中所述第一波长范围是约400nm-420nm，并且所述第二波长范围是约420nm-450nm；或者所述第一波长范围是约420nm-450nm，并且所述第二波长范围是约450nm-500nm。
7.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述控制单元被配置并且可操作以通过计算两个平均强度之间的比率来处理数据，所述两个平均强度指示来自在两个单独的选定波长范围处被照射和/或收集的生物组织的相同区域的光响应。
8.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述控制单元被配置并且可操作以实时确定生物组织的氧合/脱氧状态。
9.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述数据包括至少两个像素化图像；处理所述数据包括：在每个图像中识别指示所述区域的特定区的像素；对每个特定区进行所述至少两个像素化图像的逐像素比较；确定每个像素的生物组织的氧合/脱氧状态，以及生成指示组织氧合/脱氧组织状态制图的经处理的图像。
10.根据权利要求8所述的系统，其中所述控制单元被配置并且可操作以生成被监测组织的经处理的图像，所述经处理的图像指示组织的表面处的氧合组织状态与一定深度处的生物组织的氧合组织状态相耦合。
11.根据前述权利要求中任一项所述的系统，还包括检测器单元，所述检测器单元被配置并且可操作以收集光响应。
12.根据权利要求10所述的系统，其中所述检测器单元包括成像器单元，所述成像器单元被配置并且可操作以接收光响应并且生成至少两个其像素化图像。
13.根据权利要求11所述的系统，其中所述成像器单元包括光谱成像器，所述光谱成像器被配置并且可操作以接收光响应并且生成至少两个其像素化光谱图像。
14.根据权利要求12所述的系统，其中所述数据包括至少两个像素化光谱图像；处理所述数据包括：从所述至少两个像素化光谱图像中提取分别对应于照射和/或收集的选定波长范围的至少两个单色图像，对所述至少两个单色图像的每个特定区进行逐像素比较，并且生成指示光谱分辨的组织氧合/脱氧制图的经处理的图像。
15.根据权利要求11至13中任一项所述的系统，其中所述成像器单元包括至少两个成像器，每个成像器被配置并且可操作以检测不同选定波长范围内的至少一个电磁束。
16.根据权利要求11至13中任一项所述的系统，还包括至少两个交叉偏振元件，所述至少两个交叉偏振元件与照射源和成像器单元相关联，并且被配置并且可操作以滤除来自组织的镜面反射。
17.根据权利要求10所述的系统，其中所述检测器单元包括非成像光电检测器单元，所述非成像光电检测器单元被配置并且可操作以接收来自在两个单独的选定波长范围被照射和/或收集的生物组织的相同区域的光响应，并且生成至少两个其区域的平均强度。
18.根据前述权利要求中任一项所述的系统，还包括照射源，所述照射源被配置并且可操作以用两个单独的波长范围的电磁束来照射所述生物组织。
19.根据权利要求17所述的系统，其中所述控制单元被配置并且可操作以控制照射源并且选择照射的波长范围。
20.根据权利要求17或18所述的系统，其中所述照射源包括至少两个光源，每个光源被配置并且可操作以用不同的选定波长范围照射所述生物组织。
21.一种用于监测生物组织中的氧合的方法，所述方法包括确定用于在一个或更多个测量会话中使用的操作数据，以能够收集指示所述生物组织的氧合/脱氧组织状态的数据，所述确定包括：
分别选择两个不同的波长范围内的两个单独的波长，用于在所述一个或更多个测量会话中使用，以能够生成指示所述生物组织的一个区域对所述两个波长的光响应的数据，其中所述两个波长范围包括第一波长范围和第二波长范围，所述第一波长范围中所述组织内的脱氧血红蛋白的吸光度高于氧合血红蛋白，所述第二波长范围中所述组织内的氧合血红蛋白的吸光度高于脱氧血红蛋白，或者反之，并且所述两个波长包括来自所述第一波长范围和所述第二波长范围的第一波长和第二波长，所述第一波长和所述第二波长满足针对所述第一波长和所述第二波长中的每一个的脱氧血红蛋白和氧合血红蛋白的吸光度之间的比率的预先确定的条件。
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述预先确定的条件对应于针对所述第一波长和所述第二波长中的每一个的脱氧血红蛋白和氧合血红蛋白的吸光度之间的最高比率。
23.根据权利要求21或22所述的方法，其中所述第一波长在从约400nm至约420nm或从约450nm至约500nm的所述第一波长范围内，并且所述第二波长在从约600nm至约800nm的所述第二波长范围内。
24.根据权利要求21或22所述的方法，其中所述第一波长范围和所述第二波长范围大体上在相同的光谱带中，所述第一波长范围和所述第二波长范围被选择为使得所述数据指示被监测的组织的表面组织部分。
25.根据权利要求24所述的方法，其中所述第一波长范围是约400nm-420nm，并且所述第二波长范围是约420nm-450nm；或者所述第一波长范围是约420nm-450nm，并且所述第二波长范围是约450nm-500nm。
26.根据权利要求21至25中任一项所述的方法，还包括使用对应于所述两个波长的两个光响应来进行所述一个或更多个测量会话，并且确定所述生物组织的氧合/脱氧组织状态。
27.根据权利要求26所述的方法，其中确定每个像素的所述生物组织的氧合/脱氧组织状态实时地进行。
28.根据权利要求26或27所述的方法，包括减少来自所述组织的镜面反射。
29.根据权利要求26至权利要求28中任一项所述的方法，其中所述数据包括至少两个像素化图像；处理所述数据包括：在每个图像中识别指示区域的特定区的像素；对每个特定区进行所述至少两个像素化图像的逐像素比较；确定每个像素的所述生物组织的氧合/脱氧状态，以及生成指示组织氧合/脱氧制图的经处理的图像。
30.根据权利要求29所述的方法，其中所述数据包括至少两个光谱像素化图像；处理所述数据包括：从所述至少两个像素化图像中提取分别对应于照射和/或收集的选定波长范围的至少两个单色图像；对所述至少两个单色图像的每个特定区进行逐像素比较；并且生成指示光谱分辨的组织氧合/脱氧制图的经处理的图像。
31.根据权利要求26至28中任一项所述的方法，其中所述数据包括非成像数据，所述非成像数据指示在两个单独的波长范围的至少两个平均强度，并且处理所述数据包括计算所述两个平均强度之间的比率。
32.根据权利要求31所述的方法，包括生成所述组织的经处理的图像，所述经处理的图像指示位于被监测的组织的表面附近处的第一组织部分的氧合状态与位于所述组织的一定深度处的第二组织部分的氧合状态的比较。
33.根据权利要求31所述的方法，包括生成所述组织的经处理的图像，所述经处理的图像指示位于被监测的组织的表面附近处的第一组织部分和第二组织部分的氧合状态。
34.根据权利要求26至33中任一项所述的方法，包括用至少两个具有不同选定波长范围的电磁束照射所述生物组织。
35.根据权利要求26至34中任一项所述的方法，包括收集指示在两个单独的选定波长范围来自生物组织的相同区域的光响应的成像数据或非成像数据。
36.根据权利要求26至35中任一项所述的方法，包括显示感兴趣的区域的氧合/脱氧状态。
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